KR101323636B1 - 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가연성 물질이 투입되는 가스화부; 상기 가스화부의 하부로 연통되는 퇴적부; 및 상기 퇴적부의 측면으로 연통되며 가열수단을 구비한 용융부;를 구비하며, 상기 퇴적부에는 상기 가연성 물질이 채워져 상기 용융부에서 생성된 가스는 상기 가연성 물질을 통과하여 상기 가스화부로 투입됨으로써, 안정적이고 신속하게 가연성 물질을 처리하고, 가열수단의 에너지 소모를 적게 하고, 유해물질이 적은 합성가스를 제공할 수 있는 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법에 관한 것이다.

Description

가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법{Gasification Melting Furnace And Treating Method For Combustible Material Using The same}

본 발명은 가스화 용융로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐기물을 포함하는 가연성물질을 처리 및 에너지화할 때 사용되는 가스화 용융로에 관한 것이다.

가연성 폐기물을 에너지로 전환하는 반응은 산소가 많은 분위기에서 처리하는 소각(연소)와 산소가 적은 분위기에서 처리하는 가스화로 분류할 수 있다. 대부분의 폐기물은 소각을 통해서 고온의 배가스를 생성하고 배가스의 폐열에서 스팀회수하는 방식이나, 소각 과정에서 대량의 대기오염물질(SOx, NOx, 다이옥신 등)과 투입물의 10~20% 의 양으로 중금속이 용출되어 매립이 필요한 소각재가 발생하며, 스팀의 에너지 활용도가 낮기 때문에 이에 대한 대안이 될 수 있는 가스화 방식을 통한 폐기물 처리 기술도 함께 검토되고 있다.

일반적으로 가스화는 산소가 적은 환원성 분위기의 600도 이상에서 가연성 물질 내의 탄소, 수소, 산소 등 가스상으로 변환될 수 있는 물질들이 일산화탄소, 수소, 물, 탄화수소로 변환되는 과정을 의미한다. 그리고, 1000℃ 이상에서는 이 물질들도 더 열분해되어 일산화탄소 및 수소로 전환되게 된다. 가스화 반응은 흡열반응으로 외부에서 어느 정도 열원이 공급되어야 하며, 이 열원은 합성가스의 일부가 더 산화되어 이산화탄소로 변화하면서 발생한 열로 가스화 반응이 진행되는 특징을 가진다. 이에 따라 가스화가 되더라도 배가스 내에는 이산화탄소가 일부 포함되어 있으며, 이산화탄소가 생성되면서 발생한 열은 가스화를 위한 흡열반응으로 사용되었음을 의미한다. 가스화 반응을 거치는 경우, 산화 반응으로 인해 발생하는 대기오염물질(SOx, NOx, 다이옥신)의 발생을 억제할 수 있고, 가스엔진/터빈 발전 등 스팀보다 고효율로 전력생산이 가능하거나, 수소 및 에탄올 등 연료로 변환시킬 수 있는 합성가스가 얻어지며, 고온의 가스화를 통해 가연성 물질내 포함된 비가연성 성분을 재(ash)가 아닌 유리상의 슬래그로 전환시킬 수 있는 장점이 있다.

하지만, 현재까지 개발된 대부분의 가스화 반응에서는 투입물의 균일도 및 열량이 낮은 폐기물의 특성상, 가스화 반응에 필요한 엔탈피가 투입물 일부의 산화반응에 의해서 안정되게 공급되는데 큰 어려움을 갖게 된다. 또한, 가스화 온도의 열평형 온도도 낮게 형성되어서 1000℃ 이상의 고온을 안정적으로 얻기가 상당히 어렵다. 또한, 배가스 내에 미연분이나 분해되지 못한 오염물질이 많이 배출될 가능성도 높아지게 된다. 그리고, 온도가 낮아 슬래그가 아닌 재(ash)가 얻어지게 된다.

폐기물의 완전한 처리, 재의 슬래그 변환 및 고온 조건의 안정적 제공을 위해 플라즈마 토치를 폐기물 처리 및 에너지화에 적용하려는 노력이 많이 되어 왔다. 수천도의 플라즈마 토치에서 공급되는 에너지로 폐기물을 용융/가스화한 뒤, 비가연분은 슬래그로 전환시키고 가연분은 합성가스로 전환하여 에너지화하는 플라즈마 가스화 용융로에 대해 많은 개발이 진행되고 있다. 특히 플라즈마로 투입되는 전력량을 최소화하면서 에너지효율을 좋게 하기 위한 노력이 지속되고 있다.

일반적인 플라즈마 가스화 용융에서 플라즈마는 금속 및 회분과 같은 비가연성 물질의 용융이나 가스화된 이후의 합성가스 내에 미연탄소 및 탄화수소류를 제거하기 위한 세정을 위해 온도를 높이는 역할을 주로 수행하고 있다. 또한, 기존의 플라즈마 가스화 용융로는 수직 방향으로 일자형의 샤프트로가 가장 일반적인데, 폐기물은 샤프트로의 상부에서 투입되어 용융 반응이 일어나는 하단부로 이동하게 되고, 샤프트로의 하단부에는 복수의 플라즈마 토치가 설치된 구조를 갖는다. 플라즈마 토치는 용융부의 하부면 쪽으로 이동하는 폐기물을 용융시키는 역할을 한다. 또한, 코크스 등 고열량의 연료를 추가적으로 공급하여 안정적인 가스화 반응이 일어나도록 한다. 용융부의 바닥면에는 용융물에 의한 용탕이 형성되고 합성가스는 용융부의 상부로 상승하여 용융부 바깥으로 배출된다.

이러한 기존의 플라즈마 가스화 용융로는 수직방향으로 일자형 구조를 갖기 때문에 용융부 내부로 투입된 폐기물이 연속적으로 일정한 속도로 용융부의 바닥면 쪽으로 이동해야만 안정적으로 용융 및 가스화가 진행되지만 폐기물의 이동속도를 조정하기 쉽지 않다. 또한, 폐기물이 용융부의 바닥면 쪽으로의 이동속도에 변화가 발생하는 경우 폐기물의 처리 속도, 용융 및 가스화에 문제가 발생될 수 있다. 특히 폐기물의 투입량이 커지면 폐기물과 가스의 접촉이 효율적으로 이뤄지지 않아서 반응속도가 늦어지는 문제점이 발생될 수 있다.

이와 함께 기존의 플라즈마 가스화 용융로는 1600도에서 용융반응이 일어나지만 가스화온도는 훨씬 낮은 1200℃ 이하이며, 합성가스가 배출되는 온도는 1000℃ 이하이다. 이로 인해, 합성가스 내에 수% 수준의 탄화수소류 및 타르가 포함되며, 후단 공정에서 다이옥신이 재합성될 가능성도 존재한다. 그래서, 후단에서 고온의 합성가스를 바로 냉각시켜서 오염물질의 발생을 억제하게 되는데 이로 인해 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 후단의 합성가스 정제공정이 다단계로 진행됨으로써 복잡하게 구성되어 설비가 과도해질 수 있다. 현재는 이를 해결하기 위해 합성가스를 다시 플라즈마로 온도를 올려서 세정하기도 하지만, 전체적인 효율이 떨어지는 단점이 있다.

한국공개특허 제2011-121914호 일본공개특허 특개2008-275180호 일본공개특허 특개2002-013718호 일본공개특허 특개2003-327976호

따라서 본 발명의 목적은 대량의 폐기물을 효율적으로 처리할 수 있는 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 1200℃ 이상의 고온 가스화 반응을 수행하여 타르나 다이옥신과 같은 유해물질이 제거된 합성가스를 얻을 수 있는 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 타르나 다이옥신과 같은 유해물질이 제거된 합성가스를 얻을 수 있는 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법을 제공하는데 있다.

1. 가연성 물질이 다수의 공극을 두고 퇴적되는 퇴적부; 상기 퇴적부로부터 유입된 가연성 물질을 용융시키는 용융부; 및 상기 용융부에서 생성된 가스가 상기 퇴적부의 공극을 통과하여 도달하는 가스화부를 포함하는 가스화 용융로.

2. 위 1에 있어서, 상기 퇴적부에 상기 가연성 물질을 공급하는 가연성 물질 투입구를 더 포함하는 가스화 용융로.

3. 위 1에 있어서, 상기 용융부는 상기 퇴적부의 측면으로 연통되고 상기 가스화부는 상기 퇴적부의 상부로 연통되는 가스화 용융로.

4. 위 1에 있어서, 상기 용융부의 가열수단은 플라즈마 토치인 가스화 용융로.

5. 위 1에 있어서, 상기 용융부는 제1 산화제 투입구를 구비한 가스화 용융로.

6. 위 1에 있어서, 상기 용융부의 하부에는 용융물이 배출되는 출탕구가 구비된 가스화 용융로.

7. 위 1에 있어서, 상기 퇴적부는 퇴적된 가연성 물질을 상기 용융부로 이송하는 푸싱부를 구비하는 가스화 용융로.

8. 위 1에 있어서, 상기 가스화부는 제2 산화제 투입구를 구비한 가스화 용융로.

9. 위 8에 있어서, 상기 제2 산화제 투입구는 산화제가 상기 가스화부 내에서 선회할 수 있도록 하는 위치에 구비되는 가스화 용융로.

10. 위 1에 있어서, 상기 가스화부는 내부에 합성 가스의 착화 및 연소 상태의 유지를 위하여 파일럿 버너를 더 구비하는 가스화 용융로.

11. 위 1에 있어서, 상기 가스화부의 상부에는 합성 가스가 배출되는 배출구를 구비하는 가스화 용융로.

12. 용융부에서 생성된 가스를 다수의 공극을 두고 퇴적된 가연성 물질 퇴적체에 통과시키는 단계를 포함하는 가연성 물질의 처리 방법.

13. 위 12에 있어서, 상기 가스는 상기 가연성 물질이 상기 용융부로 유입된 후 가열되어 발생되는 것인 가연성 물질의 처리 방법.

14. 위 12에 있어서, 상기 가연성 물질 퇴적체를 통과한 가스의 일부를 산화시키는 단계를 더 포함하는 가연성 물질의 처리 방법.

15. 위 12에 있어서, 상기 용융부에서 가스 생성시 제1 산화제를 투입하는 단계를 더 포함하는 가연성 물질의 처리 방법.

16. 위 12에 있어서, 상기 가스는 가연성 물질을 플라즈마 토치로 가열하여 생성된 것인 가연성 물질의 처리 방법.

17. 위 12에 있어서, 퇴적된 가연성 물질을 상기 용융부로 이송시키는 단계를 더 포함하는 가연성 물질의 처리 방법.

18. 위 12에 있어서, 상기 가스는 1400℃ 이상의 온도를 갖는 가연성 물질의 처리 방법.

19. 위 14에 있어서, 상기 산화 단계를 거친 가스는 1200℃ 이상의 온도를 갖는 가연성 물질의 처리 방법.

20. 위 14에 있어서, 상기 산화 단계는 제2 산화제 투입으로 수행되는 가연성 물질의 처리 방법.

본 발명의 가스화 용융로는 가스화부와 용융부가 직접 연통되지 않으므로, 가스화부에서 용융부로 급격하게 폐기물이 이동하는 것이 방지될 수 있어, 일자형의 구조에 비해서 안정적으로 가연성 물질을 처리할 수 있다.

또한 본 발명의 가스화 용융로는 용융부에서 생성된 합성가스가 퇴적부에 채워진 가연성 물질을 반드시 통과하게 되므로 가연성 물질의 가스화 반응을 충분히 진행시키고 가연성 물질의 처리 속도를 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 가스화 용융로는 가연성 물질이 채워진 퇴적부에 채워진 가연성 물질에 의해 용융 및 가스화 반응이 일어나는 영역과 합성가스의 부분 산화 반응이 일어나는 영역이 분리되기 때문에, 가스화 용융로를 안정적으로 구동시킬 수 있다. 즉 본 발명의 가스화 용융로는 용융부와 가스화부를 퇴적부에 채워진 가연성 물질로 분리함으로써, 가열수단의 고열을 용융에 집중적으로 활용하고 여기에서 발생하는 고온의 가스를 퇴적부의 가연성 물질에 통과시킴으로서 가연성 물질이 효율적으로 가스화되도록 유도하고, 퇴적부에서 방출되는 고열량의 가스를 다시 부분 산화시켜 온도를 1200℃ 이상으로 상승시킴으로서 타르나 다이옥신과 같은 유해물질이 제거된 합성가스를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 가스화 용융로는 용융부에서 생성된 합성가스가 가연성 물질을 통과하여 가스화실의 상부로 이동하는 동안 떨어진 온도를 상승시키기 위하여, 가연성 물질을 통과한 합성가스에 산화제를 공급하여 부분 산화 반응을 일으키도록 함으로써, 가연성 물질을 가스화하여 1200℃ 이상의 고온 합성가스를 생산하면서 가열수단의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 가스화 용융로는, 가스화 반응의 온도를 1200℃ 이상에서 안정적으로 유지함으로써, 합성가스 내 불순물 및 대기오염물질의 발생을 최소화할 수 있다. 즉 1200℃ 이상 고온에서 가스화하는 경우, 배출되는 합성가스의 성상 내 탄화수소 및 재 등의 발생을 최소화할 수 있고 질소산화물, 황산화물 등 산화물 계 대기오염물질 및 다이옥신 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가스화 용융로는 퇴적부에 푸싱부를 설치하여 용융부쪽으로 가연성 물질을 이송시킴으로써, 가연성 물질을 안정적으로 용융부에 공급하여 가연성 물질의 처리 속도를 향상시킬 수 있다. 또한 푸싱부의 구동 제어를 통하여 가연성 물질의 처리 속도를 용이하게 제어할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 가스화 용융로는 일 100톤 이상의 대량의 폐기물을 안정적으로 처리하면서 1200℃ 이상의 고온 합성가스를 생산하여 가스엔진 및 연료전지 발전에 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스화 용융로를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 가스화 용융로를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1의 가스화부를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스화 용융로를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 가스화부를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스화 용융로를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6의 가스화 용융로를 보여주는 단면도이다.

본 발명은, 가연성 물질이 다수의 공극을 두고 퇴적되는 퇴적부; 상기 퇴적부로부터 유입된 가연성 물질을 용융시키는 용융부; 및 상기 용융부에서 생성된 가스가 상기 퇴적부의 공극을 통과하여 도달하는 가스화부를 포함함으로써, 안정적이고 신속하게 가연성 물질을 처리하고, 가열수단의 에너지 소모를 적게하고, 유해물질이 적은 합성가스를 제공할 수 있는 가스화 용융로에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스화 용융로를 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 가스화 용융로를 보여주는 단면도이다. 도 3은 도 1의 가스화부를 보여주는 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스화 용융로(100)는 가스화부(10), 용융부(20) 및 퇴적부(60)를 포함한다. 가스화부(10)에서 투입된 가연성 물질(50)은 퇴적부에 퇴적되고, 용융부(20)의 가열수단에 의해 가연성 물질 내의 가연성 성분이 합성가스(53)로 변환되며, 생성된 합성가스(53)는 가연성 물질의 퇴적체(50)을 통과하여 가스화부(10)로 이동한다.

여기서 제1 실시예에 따른 가스화 용융로(100)에서 일어나는 가스화 반응과, 부분 산화 반응은 아래의 화학식 1 내지 5와 같다. 여기서 화학식 1 및 2는 가스화 반응을 나타내고, 화학식 3 내지 5는 산화 반응을 나타낸다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 가스화 용융로(100)에 대해서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

용융부(20)는 가연성 물질(50)의 용융 및 가스화와 합성가스와의 열교환이 이루어지는 부분으로서, 제1 산화제 주입구(25) 및 가열수단(30)을 포함한다.

용융부(20)는 일측이 퇴적부(60)와 연통되고, 일측과 마주보는 타측의 하부에 용융물(51)이 배출되는 출탕구(23)가 형성되어 있다. 따라서 용융부(20)는 바닥면에 가연성 물질(50) 중 비가연성 성분인 회분이 용융되어 형성된 용융물(51)이 용탕을 형성하고, 용융물(51)이 일정 양 이상이 되면 출탕구(23)를 통하여 외부로 배출시킬 수 있다. 예컨대 회분이 포함된 가연성 물질(50)이 투입되는 경우, 해당 가연성 물질(50)의 용융물(51)로 용탕을 형성하고, 일정 양의 용융물(51)이 용융부(20) 내에 남아 있도록 할 수 있다. 즉 회분과 같은 비가연분은 1200℃ 이상에서 용융되는데, 용융물(51)을 바로 외부로 배출하지 않고 내부에 일정 정도 용탕을 형성시킴으로써, 가스화 반응에 대한 히트 싱크(heat sink) 역할을 제공하고, 용융부(20)의 내부 온도를 일정 정도 균일하게 유지시킬 수 있다. 바람직하게는, 용융실 내부에서 형성되는 합성 가스가 1400℃ 이상의 온도를 가지도록 내부 온도를 유지할 수 있다.

또한 용융부(20)는 주입되는 산화제가 내부에서 선회할 수 있도록 가능한 정방형, 예를 들면 직육면체 또는 정육면체로 형성하는 것이 바람직하다.

제1 산화제 투입구(25)는, 용융부(20)의 한 측면 또는 상부에 설치되어, 용융부(20)가 환원 분위기를 유지할 수 있도록 산화제를 주입한다. 이러한 측면에서, 산화제가 용융부(20) 내부에서 선회가 용이하도록 제1 산화제 주입구(25)는 지면에 대해서 소정의 각도를 갖도록 경사지게 설치되는 것이 바람직하며, 투입구의 방향은 퇴적부(60) 쪽을 향하도록 할 수 있다.

제1 산화제 투입구(25)를 통해 주입되는 산화제는 용융실 내부의 온도 저하를 방지하기 위해 300 내지 500℃의 온도로 예열된 산화제인 것이 바람직하다. 예열된 산화제를 주입한다. 이때 제1 산화제 투입구(25)의 주입 속도는 40 내지 80 m/s이다. 이때 산화제로는 공기 또는 산소가 사용될 수 있다.

가열수단(30)은 용융부(20)의 측벽에 설치되어, 가연성 물질(50)을 용융 및 가스화하는 열에너지를 제공한다. 가연성 물질(50) 및 용융물(51)에 효과적으로 열을 전달하기 위해서, 가열수단(30)은 바닥면을 향하도록 설치될 수 있다. 가열수단(30)은 당분야에서 통상적으로 사용되는 가열수단이 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 플라즈마 토치를 들 수 있다.

가열수단(30)의 일 예시로서, 플라즈마 토치를 사용한 경우에는, 플라즈마 토치 모듈(30)은 복수의 플라즈마 토치(35)를 포함할 수 있다. 플라즈마 토치(35)에서 방출되는 플라즈마 제트에 의해 용융부(20)의 열화 및 내화물의 손상을 억제하기 위해서, 플라즈마 제트가 직접 용융부(20)의 바닥면에 닿지 않도록 플라즈마 제트의 길이와 플라즈마 토치(35)의 설치 각도를 조절할 필요가 있다. 플라즈마 토치(35)는 플라즈마 소스로 압축공기, 산소, 스팀 등을 사용할 수 있다.

퇴적부(60)는 가연성 물질이 다수의 공극을 두고 퇴적하여 형성된 부분으로서, 용융부(20)와 가스화부(10)를 매개하여, 용융부(20)와 가스화부(10)가 직접 연통되지 않도록 한다. 따라서, 용융부(20), 퇴적부(60) 및 가스화부(10)의 구체적인 위치관계는 퇴적부(60)가 용융부(20)와 가스화부(10)를 직접 연결되지 않게만 한다면 특별한 제한은 없다.

본 발명의 제1 실시예에서는, 가스화부(10)가 퇴적부(60)의 상부에 위치하도록 연통되나, 퇴적부(60)와 가스화부(10)가 연결되는 구체적인 각도는 특별히 제한되지 않는다. 또한, 용융부(20)의 일측면에 퇴적부(60)가 위치하도록 연통되나, 퇴적부(60)의 측면과 용융부(20)가 연결되는 구체적인 각도는 특별히 제한되지 않는다. 이 때, 용융부(20), 퇴적부(60) 및 가스화부(10)의 각 단면은 서로 동일하거나 다를 수도 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면 가스화부(10)의 하부에 퇴적부(60)가 연통되는 구조를 가지므로, 가스화부(10)에서 투입되는 가연성 물질(50)이 퇴적부(60)에 퇴적된다. 또한, 퇴적부(60)의 측면으로 용융부(20)가 연통되므로, 용융물(51)이 용융부(20)의 하부에 일정량 존재하도록 조절할 수 있다.

도 1에는 퇴적부(60)에 형성되는 가연성 물질(50)의 퇴적체의 임의적인 형태가 개략적으로 도시되어 있다. 퇴적부(60)에 형성되는 가연성 물질(50)의 퇴적체가 용융부(20)와 퇴적부(60)가 연통되는 개구를 막아 용융부(20)에서 생성된 합성가스(53)가 퇴적체를 통과하도록 하며, 합성가스(53)가 벽면을 타고 가연성 물질(50)과 접촉하지 않고 곧바로 가스화부(10)로 진입하는 것을 방지한다.

퇴적체는 다공성 구조를 갖는다. 따라서, 용융부(20)에서 생성된 합성가스(53)가 다공성 구조의 퇴적체를 통과하면서 가연성 물질(50)을 예열시키고, 또한 퇴적된 가연성 물질(50) 일부와 가스화 반응을 일으킴으로써, 가연성 물질(50)의 처리 속도를 향상시키며, 가열수단(30)의 에너지 소모를 적게 할 수 있다. 또한 퇴적체에 의해 용융 및 가스화 반응이 일어나는 용융부(20)와 합성가스의 부분 산화 반응이 일어나는 가스화부(10)가 분리되기 때문에, 가스화 용융로(100)를 안정적으로 구동시킬 수 있다. 이때 퇴적부(60)에서는 화학식 1 및 2에 해당하는 가스화 반응이 일어난다.

푸싱부(40)는 용융부(20)가 연결된 방향과 마주보는 방향의 퇴적부(60)의 외측에 설치되어 퇴적부(60)에 퇴적된 가연성 물질(50)을 용융부(20)쪽으로 이송시키는 푸셔(41)를 구비하여 가연성 물질(50)이 용융 및 가스화될 수 있도록 한다. 푸셔(41)로는 실린더 방식이 사용될 수 있다. 이와 같이 푸싱부(40)는 용융부(20)쪽으로 가연성 물질(50)을 이송시킴으로써, 가연성 물질(50)을 안정적으로 용융부(20)쪽으로 공급하여 가연성 물질(50)의 처리 속도를 향상시킬 수 있다. 또한 푸싱부(40)의 구동 제어를 통하여 가연성 물질(50)의 처리 속도를 용이하게 제어할 수 있다.

가스화부(10)는 가연성 물질(50)의 투입과, 합성가스(53)의 온도를 1200℃ 이상으로 유지할 수 있도록 부분 산화 반응이 일어나는 부분으로서, 퇴적부(60)의 상부와 연통되며, 가연성 물질(50)이 투입되는 투입구(13)가 형성되어 있다. 또한, 측면에 산화제를 투입하는 복수의 제2 산화제 투입구(15)가 설치되어 있고, 상부에 합성가스(53)가 배출되는 배출구(17)가 형성되어 있다. 이때 산화제로는 산소 또는 공기가 사용될 수 있다.

이때 가스화부(10)는 수직 방향으로 설치될 수 있으며, 관형 구조, 예를 들면 상하 방향으로 연장된 통형 구조를 가지며, 퇴적부(20) 쪽으로 내려갈수록 내부 공간이 줄어들게 형성될 수도 있다. 도 1에는 가스화부(10)는 원통관 형태로 구현된 예를 개시하였지만, 그 단면의 형태가 특별히 제한되는 것은 아니다.

제2 산화제 투입구(15)는 가스화부(10) 내에서 산화반응을 유도하기 위해 산화제를 투입하기 위한 수단이다. 가스화부(10)의 외주면에 가연성 물질(50)의 투입구(13)보다 높은 위치에 설치될 수 있다.

제2 산화제 투입구(15)는 필요에 따라 복수로 설치될 수 있고 이 경우 서로 등간격으로 배치될 수 있으며 동일 평면 상에 형성될 수 있다. 예컨대 제1 실시예에서는 4 개의 제2 산화제 투입구(15)가 설치된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 복수의 제1 산화제 투입구(15)는 가스화부(10)의 직경에 따라 적정수가 설치될 수 있다.

제2 산화제 투입구(15)는 바람직하게는 산화제를 가스화부(10)의 중심축에서 빗겨나게 가스화부(10)의 내부로 투입하여, 투입된 산화제의 선회를 용이하게 할 수 있다. 이와 같이 산화제를 투입하는 이유는, 가스화부(10)로 이동한 합성가스와 부분 산화 반응이 안정적으로 일어날 수 있도록 하기 위해서이다.

또한 필요에 따라, 가스화부(10)는 제2 산화제 투입구(15) 위치 부근에 합성가스(53)의 착화 및 연소상태의 유지를 위하여 파일럿 버너가 함께 설치될 수 있다.

이때 제2 산화제 투입구(15)는 주입되는 가스가 선회하도록 중심에 대하여 일정한 각도로 설치하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로서 미연분의 가스화부(14) 내 체류시간을 연장하며 가스화부(14)를 빠져나가는 것을 줄일 수 있다. 전체 산화제의 투입량은 가스화부(14)의 온도를 1200℃ 이상으로 유지하는 조건을 만족하면서 화학양론적으로 완전연소에 필요한 산화제량의 50~70%를 유지하는 것이 바람직하다.

또한 제1 실시예에서는 가스화부(14)를 통하여 합성가스(53)를 포함한 배가스가 빠져나가는 배출구(17)를 축로나 높이 문제 등과 같은 현실적인 제약 조건을 고려하여 가스화부(14)의 상부의 측부에 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 가스화 용융로(100)는 가열수단(30)이 용융 및 가스화 반응에 필요한 열원을 공급하고, 또한 퇴적부(60)을 통과한 합성가스에 산화제를 투입하여 부분 산화 반응을 통하여 열을 제공함으로써, 1200℃ 이상의 고온 가스화 반응을 원활하게 수행할 수 있다. 또한 가연성 물질(50)에 대한 가스화 반응이 원활히 수행됨으로써, 플라즈마의 전력 소모를 줄일 수 있다.

제 2 실시예

한편 제1 실시예에서는 가스화부(10)가 원통관으로 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 가스화부(110)는 사각관으로 형성될 수 있다. 여기서 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스화 용융로(200)를 보여주는 도면이다. 그리고 도 5는 도 4의 가스화부(110)를 보여주는 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 가스화 용융로(200)는 가스화부(110)가 사각관으로 형성된 것을 제외하면 제1 실시예에 따른 가스화 용융로(도 1의 100)와 동일한 구조를 갖기 때문에, 가스화부(110)를 중심으로 설명하면 다음과 같다.

가스화부(110)는 퇴적부(160)의 상부에 연결되어 있으며, 측면에 산화제를 투입하는 복수의 제2 산화제 투입구(115)이 설치되어 있고, 상부에 합성가스가 배출되는 배출구(117)가 형성되어 있다. 이때 복수의 제2 산화제 투입구(115)은 가스화부(110)의 측면에 서로 등간격으로 배치되며, 가스화부(110)의 중심에서 빗겨나게 산화제를 가스화부(110)의 내부로 투입하여 선회시킬 수 있다. 이와 같이 산화제를 투입하는 이유는, 가스화부(110)로 이동한 합성가스와 부분 산화 반응이 안정적으로 일어날 수 있도록 하기 위해서이다. 이때 복수의 제2 산화제 투입구(115)는 동일 평면 상에 형성될 수 있다. 예컨대 제2 실시예에서는 복수의 제2 산화제 투입구(115)가 가스화부(110)의 네 개의 측면에 각각 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

제 3 실시예

또한 제1 실시예에서는 가스화부(10)를 통하여 합성가스(53)를 포함한 배가스가 빠져나가는 배출구(17)를 축로나 높이 문제 등과 같은 현실적인 제약 조건을 고려하여 가스화부(10)의 상부의 측부에 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 미연분 또는 회분의 탈출을 억제하기 위해서, 가스화부(10)의 배출구(17)는 가스화부(10)의 최상부의 중심에 위치할 수 있도록 형성할 수 있다. 여기서 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 가스화 용융로(300)를 보여주는 도면이다. 그리고 도 7은 도 6의 가스화 용융로(300)를 보여주는 단면도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 제3 실시예에 따른 플라즈마 가스화 용융로(300)는 제1 실시예와는 용융부(20) 및 가스화부(10)는 동일하나 배가스를 가스화부(10)의 상부 돔 중앙에서 배출되도록 배출구(17)의 배출 위치가 달라지는 특성을 가진다. 배출구(17)의 중앙에서 배출될 경우, 가스화부(10)의 높이는 더 높아지지만, 가스화부(10) 내에서 퇴적부(60)을 통과한 가연성 물질 내에 포함된 탄화물의 부분산화 반응이 충분히 일어나고 미연탄소 성분이 배가스 내에 포함되어 배출될 가능성을 더 크게 억제할 수 있다. 특히, 제2 산화제 투입구(15)에 의해 형성되는 가스화부(10) 내의 선회류에 의해 탄화물의 배출을 억제가 더 용이하기 때문에, 배가스 내의 탄화물 배출량 억제 및 부분산화 반응 진행에 더 원활한 특성을 갖게 된다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10, 110 : 가스화부 13, 113 : 가연성 물질 투입구
15, 115 : 제2 산화제 투입구 17, 117 : 배출구
60, 160 : 퇴적부 20, 120 : 용융부
23 : 출탕구 25, 125 : 제1 산화제 투입구
30, 130 : 플라즈마 토치 모듈(가열수단) 35, 135 : 플라즈마 토치
40, 140 : 푸싱부 50 : 가연성 물질
51 : 용융물 53 : 합성가스
100, 200, 300 : 가스화 용융로

Claims (9)

1. 가연성 물질이 다수의 공극을 두고 퇴적되는 퇴적부;
   상기 퇴적부로부터 유입된 가연성 물질을 용융시키는 용융부; 및
   상기 용융부와 직접 연통되지 않고 상기 퇴적부를 매개로 연결되며, 상기 용융부에서 생성된 가스가 상기 퇴적부의 공극을 통과하여 도달하는 가스화부;를 포함하고,
   상기 퇴적부는 퇴적된 가연성 물질을 상기 용융부로 이송하는 푸싱부를 구비하며,
   상기 가스화부는 제2 산화제 투입구를 구비하고,
   상기 제2 산화제 투입구는 산화제가 상기 가스화부 내에서 선회할 수 있도록 하는 위치에 구비되는, 가스화 용융로.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 퇴적부에 상기 가연성 물질을 공급하는 가연성 물질 투입구를 더 포함하는 가스화 용융로.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 용융부는 상기 퇴적부의 측면으로 연통되고 상기 가스화부는 상기 퇴적부의 상부로 연통되는 가스화 용융로.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 용융부의 가열수단은 플라즈마 토치인 가스화 용융로.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 용융부는 제1 산화제 투입구를 구비한 가스화 용융로.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 용융부의 하부에는 용융물이 배출되는 출탕구가 구비된 가스화 용융로.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서, 상기 가스화부는 내부에 합성 가스의 착화 및 연소 상태의 유지를 위하여 파일럿 버너를 더 구비하는 가스화 용융로.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 가스화부의 상부에는 합성 가스가 배출되는 배출구를 구비하는 가스화 용융로.

Images